Genetik Şifreye Doğru

Bundan önceki yazımda canlılardaki kalıtımı kontrol eden kuralların keşiş Mendel tarafından ortaya konulduktan 30-40 yıl sonra tekrar keşfedildiğini ancak o zamanlar gen ve genetik deyimlerinin bilinmediğini belirtmiştim. Yine 1953’te DNA’nın ikili sarmal yapısı belirlenene kadar da bilimcilerin genetik çalışmalarının önemli bir kısmını kromozom düzeyinde yürütmek zorunda olduklarını ve genetik deyiminin de kalıtımı açıklamak için ilk kez 1906’da Bateson tarafından kullanıldığını yazmıştım. Şimdi dilerseniz, genlerin yani tüm canlılarda kalıtımı belirleyip kontrol eden etmenlerin DNA olduğunu ortaya çıkaran araştırmalara bir göz atalım. Kalıtımın kökeni araştırılıyor Evet, 1953’te çift sarmallı DNA yapısı James Watson ve Francis Crick tarafından ortaya konulduğunda genetik alanındaki devrimsel buluşlardan birisi gerçekleşmişti. Ama, bu buluşun öncesinde işi gücü olmayan bilimcilerin büyük bir sabır, disiplin ve ısrarla yürüttükleri çalışmalar olmazsa bugünkü moleküler biyoloji diye bir bilim alanı da olmazdı. Tabii burada fizik, kimya ve biyoloji gibi doğa olaylarını anlamamızda çığır açan bilimcileri de unutmamamız gerekir. Bu temel bilim dallarında çalışanların gözlemleri ve bilimsel yönteme dayalı araştırmaları daha yirminci yüzyıla girilmeden hücre yapısını, hücreyi oluşturan protein, karbohidrat, yağ ve nükleik asitler gibi moleküllerin yapılarını ortaya koymuştu. Diğer bir ifade ile bilmecenin çözülmesine yardımcı olacak temel taşları birkaç yüzyıllık bir sürecin ve çok sayıda bilimcinin eseriydi. Örneğin, 1869’da İsviçreli doktor Friedrich Miescher hasta bandajlarından topladığı cerahatleri mikroskop altında incelerken hücre çekirdeğinde yerleşik bir madde tespit edip adını “nüklein” koyuyor. Bundan on yıl kadar sonra Albrecht Kossel bunların asidik yapısını ve 5 farklı baz yapısını ortaya koyarak “nükleik asit” ismine temel oluşturuyor. DNA’nın 5 karbonlu riboz şekeri, fosfat ve azot bazlardan oluştuğu ve bunların fosfat gruplarının bir birlerine bağlanarak bir zincir oluşturduğu ise ancak 1919’da Phoebus Levene tarafından açıklığa kavuşturuluyor. Henüz kalıtımın DNA tarafından kontrol edildiği bilinmiyor. Ama, bir dizi meraklı kişi örneğin yaralardaki cerahatin ne olduğunu, nelerden oluştuğunu vs. çözmeye çalışıyor! Bu buluşlar devam ederken, kalıtımın proteinler tarafından yeni nesillere aktarıldığını öne süren bir grup bilimcinin olduğunu ve bunun yaygın bir kabul görse de kanıtlanamadığını belirtelim. Bu arada; başta da belirttiğim gibi genetikçiler kromozomlarla genlerin yani kalıtımın ilişkisini ortaya koymuş, hatta 1920’lere gelindiğinde kromozomların protein ve DNA’dan oluştuğu anlaşılmaya başlanmıştı. Bu safhada önemli buluşlardan biri de hücre çekirdeğindeki kromozomları spesifik olarak boyama tekniğinin geliştirilmesi oldu. Böylece, farklı türlerin hücre çekirdeklerinin kırmızıya boyanarak mikroskop altında gözlemlenmesi mümkün olmuştu. Öyle ki diploid vücut hücrelerindeki çekirdeklerin haploid eşey hücrelerinin iki misli kadar boyandığı yani eşey hücrelerinin (yumurta ve sperm) vücut hücrelerinin yarısı kadar kromozoma sahip olduğu dahi saptanabiliyordu. Bu bulguların devamında, zatürre hastalığına neden olan bakteriler üzerinde araştırmalar yapan İngiliz doktor Frederick Griffith Streptococcus pneumoniae bakterisinin pürüzlü (r) ve düzgün (s) olmak üzere iki tipinin olduğunu ve bunlardan düzgün (s) olanın zatürreye yol açtığını ve farelere injekte ettiğinde kobayları hastalandırarak öldürdüğünü gözlemliyor. Kendinden önceki işi gücü olmayan diğer bilimciler gibi o da bunun nedenini merak ediyor ve çalışmalarına şöyle devam ediyor: Önce, birinci grup farelere canlı düzgün (s) bakteri hücreleri injekte ediyor; beklendiği üzere fareler hastalanarak ölüyor ve farelerin kalbinden canlı bakteriler izole edilebiliyor. İkinci grup farelere ise canlı pürüzlü (r) bakteri hücreleri injekte ediyor; fareler ölmüyor ve kalplerinde bakteri bulunamıyor. Griffith daha sonra, düzgün (s) yani zatürreye yol açtığını bildiği bakteri hücrelerini ısıtarak öldürüyor ve ondan sonra bunları üçüncü grup farelere injekte ettiğinde bu farelerin hastalanmadığını görüyor; bu farelerin kalbinde de bakteri hücreleri bulunamıyor. Yani ısıl işleme tabii tutularak öldürülmüş bakteriler hastalık yapma yeteneklerini de yitiriyorlar. Ancak, hani dedim ya adamların işi gücü yok; bu defa Griffith, ısıl işlemle öldürülüp etkisiz hale getirilmiş düzgün (s) bakterileri ile zaten hastalığa neden olmayan canlı pürüzlü (r) bakteri hücrelerini karıştırdıktan sonra dördüncü grup farelere injekte ettiğinde bu farelerin de hastalanarak öldüğünü ve bunların kalbinden de canlı düzgün(s) bakterileri izole edilebildiğini buluyor (Şekil 1). Yani ısıl işlemle öldürülmüş de olsa zatürreye neden olan düzgün (s) hücrelerde bulunan bir madde zararsız pürüzlü (r) hücrelerini genetik olarak değiştirerek zararlı hale dönüşmesine neden oluyor. Buna o zamanlar dönüştürme unsuru diye bir isim veriliyor, ama bu unsurun ne olduğu bilinemiyor. DNA’nın işlevi tanımlanıyor Şimdi sıra bu dönüştürme unsuru üzerinde Atlantiğin öbür kıyısında Oswald Avery ve arkadaşları tarafından yapılan çalışmaları kısaca özetleyelim. Avery, ısıl işleme tutarak öldürdüğü düzgün (s) Streptococcus pneumoniae hücrelerini süzerek elde ettiği sıvıyı üç ayrı test tüpüne koyuyor ve bunların birincisinin içine proteinleri parçalayan proteaz enziminden ekliyor, ikinci tüpe DNA moleküllerini parçalayan Dnaz enziminden ve üçüncü tüpe de RNA moleküllerini parçalayan Rnaz enziminden koyuyor. Daha sonra, bu enzimleri eklediği üç ayrı tüpe de daha önce Griffith’in hastalığa neden olmadığını saptadığı canlı pürüzlü (r) bakteri hücrelerinden koyuyor. Ve bunlar arasından sadece Dnaz eklenmiş tüpteki bakterilerin dönüştürülmediği, yani proteini ya da RNA molekülleri enzimlerle parçalanmış ama DNA molekülleri bozulmamış tüplerin zararsız bakterileri zararlı düzgün (s) hale dönüştürdüğünü saptayarak. Dönüştürme unsurunun DNA olması gerektiğini ortaya koyuyor. İşin en ilginç tarafı bu çalışma 1944 yılında yayımlandığında bilim insanlarının pek ilgisini çekmiyor. Zira, bilimciler DNA’nın kalıtımı kontrol edebilecek kadar kompleks olduğunu düşünmüyorlardı. Tabii bir de bunlar ne de olsa bakteriler üzerinde yapılmış çalışmalardı ve bakterilerin yüksek canlılar yani bitki ve hayvanlar gibi bir genetik yapıya sahip olabileceği hayal bile edilemiyordu! Yine de bakteriler ve bakterileri enfekte ederek ölümlerine neden olan bakteri virüsleri yani bakteryofajlar üzerindeki çalışmalar büyük bir titizlikle devam ediyordu. Bu arada, fizik ve kimya araştırmalarındaki hızlı gelişmeler, artık biyolojik araştırmacıların kimyasal elementlerin farklı izotoplarını yani radioizotoplarını kullanarak bunları daha kolay izleyebilmelerine imkan sağlamıştı. Örneğin fosforun ³²P izotopu kullanılarak işaretlenmiş DNA ve kükürtün ³⁵S izotopu kullanılarak işaretlenmiş proteinler kullanılarak bunları hücrenin gelişimi sürecinde izlemek mümkün olabiliyordu. Nitekim, 1952 yılında Alfred Hershey ve Martha Chase tarafından yayımlanan bir araştırma bakteri ve bunları enfekte eden T2 virüsü ile yapılan çalışmalarda kalıtsal materyalin DNA olduğunu biraz daha pekiştiriyordu. Şekil 2’den de görülebileceği üzere bir uzay gemisine benzeyen T2 virüsü E. coli bakterisi üzerinde etkili olur ve onu parçalar. Özetle, protein bir kılıf ile paketlenmiş olan DNA içeren virüs, önce bakteri yüzeyine bağlanarak açtığı delikten bakteri içerisine genetik materyali yani DNA injekte eder. Bundan sonra, virüse ait DNA ev sahibi bakterinin hücre mekanizmasını kullanarak bakteri içerisinde 200 kadar yeni virüs oluşmasını sağlar ve bakteriyi patlatır; sonra her bir virüs yeni bakterilere bağlanarak yaşamlarını devam ettirirler. Gerek T2 gerekse diğer virüsler yaşamlarını devam ettirebilmek için mutlaka konuk hücreye gereksinim duyarlar. Hershey ve Chase ikilisi işte virüslerin bu özelliğinden yararlanarak, önce ³²P izotopu kullanılarak işaretlenmiş DNA içeren ancak protein kılıfı doğal olan bir virüs ile enfekte ettikleri bakteri hücrelerini, bunun yanında da kılıf proteini kükürtün ³⁵S izotopu ile işaretledikleri ama DNA’sı doğal olan virüs oluşturdular. Ardından bu iki farklı işaret taşıyan virüs ile aşıladıkları bakterileri kültür ortamında çoğaltıp homojenize ettikten sonra santrifüj ile ayrıştırdıklarında, her iki tüpte gelişen bakterilerin protein ve DNA yapılarını incelediler. Sonuçta, birinci tüpün dibinde biriken DNA radyoaktif (³²P) iken, ikinci tüpün üst kısmında toplanan yani virüsü içeren sıvı radyoaktif (³⁵S) ancak dipte kısım radyoaktif değildi. Bu son kısım biraz anlaşılması zor ise de sonuçta, virüsten bakteriye geçen kısmın yani DNA’nın kalıtsal materyal olduğu, protein kılıfın ise bakteri dışında kaldığı ortaya konmuştu. Bu çalışma, Avery’nin çalışmasından çok daha fazla ses getirmiş, artık DNA’nın kalıtsal materyal olduğu neredeyse tam olarak kabul edilmeye başlamıştı. Ardından, sıra bu genetik materyalin ökaryot hücrelere aktarılması ve bunun ne şekilde olduğu ya da olabileceği konusunda çalışmalar başladı. Tabii burada, DNA’nın uzun ve büyük bir molekül olduğu bilindiği için bunun ne şekilde çoğaldığı ve bunun kalıtımı nasıl yönlendirdiği sorusu hala büyük bir bilinmez olarak cevaplanmayı bekliyordu. Önümüzdeki sayıda da bu soruların yanıtlarını vermeye devam edeceğiz. Ancak, tekrar tekrar vurguladığım üzere, bugün hayatımızı kolaylaştıran tüm teknolojiler gibi tarımsal üretimde ve insan sağlığında büyük faydalar sağlamakta olan modern biyoteknoloji binlerce bilim insanının onlarca yıl süren sabırlı ve fedakâr çalışmaları sonucu, hem de nesiller sonunda bugünlere gelmiştir. Onun için sizler de bu kişilerden en azından bazılarını burada anmamı sabırla okursunuz umuyorum.